基于電信云平臺的智能灌溉一體化系統

胡浩博，馬惠鋮，王海軍，白海濤

（延安大學西安創新學院，陜西 西安 710100）

0 引 言

我國作為農業大國，農業灌溉所需水資源量大，現有農業灌溉大多數還是以傳統灌溉為主，灌溉過程沒有科學的管理，導致水資源及人力成本消耗嚴重。因此，節約水資源、科學管理、降低人力成本是我國從農業大國走向農業強國的主要途徑之一[1-2]。為此，本文基于中國電信物聯網開放平臺設計了一套智能灌溉一體化系統，以實現農業灌溉與物聯網云端的互聯以及農田灌溉自動化、灌溉數據可視化，進而節約水資源和人力成本。

1 系統整體設計

智能灌溉一體化系統是關于農業灌溉自動化的控制系統，主要由六部分構成，分別是底層傳感器、微控制器Arduino UNO、被控部分、Air724UG 4G LTE模塊、顯示屏OLED、CTWing云平臺。該設計基于CTWing平臺，對灌溉環境的空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度三項信息進行綜合對比，進而實時執行智能灌溉。系統方案設計框架如圖1所示。

圖1 系統方案設計框架

2 系統硬件設計

2.1 傳感器模塊設計

傳感器模塊包括DHT11數字溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器和光敏傳感器。由于農作物在灌溉過程中易受其他環境影響，DHT11溫濕度傳感器具有良好的穩定性，能夠滿足檢測灌溉環境外部溫濕度的要求[3-5]。

土壤濕度傳感器作為感知灌溉環境土壤的主要元件，其表面采用鍍鎳處理，感應面積進行加寬處理，進一步提升傳感器的導電性能，解決了土壤接觸部分易生銹問題，使得傳感器使用周期加長。用土壤濕度傳感器感知農作物生長所處土壤的相對含水量，即土壤水分占種植地總體水分的比例。在大面積種植作物時，每一處土壤所含水分含量有所差異，當土壤水分過低、過高時，土壤傳感器會實時感知農作物生長土壤濕度環境，并將感知數據發送至CTWing云平臺，CTWing平臺的數據可視化功能會呈現農作物生長所需水分狀況，反映出農作物的產量是否會因此受到影響[6]。

光敏傳感器是灌溉環境的光照強度感知元件。由于夏季光照強度對農作物生長的影響較大。夏季灌溉水分蒸發量大，水資源浪費嚴重；光照過強、溫度過高時，直接灌溉會對作物產生一定傷害，影響作物生長，故需要在一定光照范圍內減少水資源蒸發。控制系統在合理時間進行灌溉，能夠降低對作物生長的傷害。

2.2 微控制器模塊

Arduino單片機具有豐富的I/O口，進行I/O口的拓展比較容易，能夠用于大多數傳感器感知數據的處理，對采集的數據能夠進行有效控制。選擇Arduino單片機作為本灌溉系統的MCU，能夠滿足系統的需求。此MCU具有良好的控制功能以及靈活的輸入輸出口，故更適合作為灌溉系統的MCU。

2.3 Air724UG 4G LTE通信模塊

選用Air724UG 4G LTE模塊作為系統的通信模塊，其具有低功耗、信號穩定性好等優點，避免灌溉場所WiFi不穩定或無WiFi信號的狀況，使用范圍廣泛；還具有基站定位等功能，支持二次開發，為底層感知數據上傳云端提供了良好的保障。可連接大多數灌溉系統，形成國內新一代的智能灌溉網，進一步減少人力、物力的投入。

2.4 系統被控模塊

本系統的灌溉控制方式分為底層繼電器控制和云端下發指令自動控制兩種。底層繼電器控制是通過底層傳感器感知灌溉環境，將數據發送給單片機，單片機經過程序判斷，綜合傳感器感知數據，下發指令給繼電器，進行灌溉工作。云端下發指令自動控制是通過將底層傳感器感知的數據上傳至云端，云端形成數據可視化界面，通過CTWing平臺上的MQTT消息訂閱功能進行指令下發。當灌溉環境的閾值低于農作物的生長條件時，云端會自動下發指令給單片機，單片機接收到命令后作出響應，開啟繼電器，進行灌溉工作；當灌溉環境的閾值達到農作物的生長條件時，繼電器關閉，系統停止工作，完成智能節水灌溉工作。

2.5 系統顯示模塊

系統顯示模塊采用OLED顯示屏，顯示底層所感知的灌溉環境溫濕度、土壤濕度、光照強度等數據。OLED顯示屏幕具有可視角度大、功耗低、操作簡單方便、功能豐富等優點，能夠實時顯示數據、圖形等，故選擇其作為灌溉系統的顯示模塊。

2.6 CTWing云平臺

首先，打開中國電信物聯網開放平臺，進入AEP控制臺；根據平臺開發向導進行操作，將開發平臺注冊好后創建產品，填寫所有產品信息后即可完成創建。CTWing平臺具有多種通信協議，系統采用MQTT通信方式、中國電信物聯網卡4G移動蜂窩數據的網絡類型等完成與平臺的連接，能夠有效提升物聯網在農業領域的應用能力[7-8]。然后，將底層設備接入云端，通過CTWing平臺提供的API文檔進行開發，并在平臺上開啟相關消息通知與訂閱管理等功能，開發完成后在CTWing平臺上發布應用。

3 系統軟件設計

系統能夠實時監測灌溉環境溫濕度、土壤濕度、光照強度，并判斷所采集的環境數據是否符合農作物生長條件、各項數據是否在農作物生長閾值范圍內；通過單片機進行指令下發，繼電器響應，判斷是否進行灌溉工作。這種自動化設計能夠達到節水灌溉、科學灌溉的目的。圖2為灌溉系統的總體流程。

圖2 灌溉系統的總體流程

啟動DHT11溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器，再對OLED顯示屏進行初始化，測量灌溉環境溫濕度、土壤濕度以及光照強度，把采集到的感知數據發送至OLED顯示屏顯示，并上傳至CTWing云平臺；系統根據農作物生長所需溫濕度閾值下發指令，并在CTWing云平臺以可視化方式告知管理員農作物灌溉狀況以及作出響應保證灌溉系統正常工作。

4 系統測試

將硬件底層系統放置實驗環境，系統通電，上電后OLED顯示屏將傳感器感知的數據實時顯示在屏幕上。圖3為系統運行數據顯示。

圖3 系統運行數據顯示

當系統上電后，CTWing云平臺中的智能灌溉一體化系統即刻顯示“在線”狀態，并根據系統訂閱管理對系統消息進行跟蹤。圖4為系統訂閱管理界面。

圖4 系統訂閱管理界面

5 結 語

智能灌溉一體化系統是以Arduino UNO為底層核心，利用Air724UG 4G LTE通信模塊，基于CTWing平臺、傳感器技術設計出的一套智能灌溉一體化系統。通過底層傳感器采集數據，并在OLED顯示屏上顯示，同時上傳至CTWing云平臺，將可視化的數據遠程告知管理員，達到自動灌溉的效果。系統利用傳感器感知以及MCU控制，從數據感知到數據上云全程自動，可以有效監控灌溉環境溫濕度、土壤濕度、光照強度。經過測試，系統能夠自動智能處理農作物灌溉，實現農作物灌溉的自動化[9-10]。通過將物聯網技術應用于農業生產中，進一步解決農作物灌溉水資源利用率低下、人力資源消耗嚴重的問題。本系統具有一定的實用價值，符合當下對中西部地區農作物灌溉的可行性、實用性等要求。